1體系方案設(shè)計(jì)
人形機(jī)器人控制系統(tǒng)包羅機(jī)器人控制器跟機(jī)器人遙控器兩部門。此中控制器以飛利浦公司的ARM7處理器為焦點(diǎn)，包括17個(gè)舵機(jī)節(jié)制驅(qū)動電路與接口、串口通訊調(diào)試電路、遙控接口、電源等。經(jīng)由過程串口下載跟傳輸節(jié)制信息。機(jī)器人遙控器利用無線模塊向機(jī)器人控制器發(fā)送指令，節(jié)制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)規(guī)定動作。
2硬件計(jì)劃
人形機(jī)器人控制器主板由節(jié)制焦點(diǎn)LPC2114、電源及檢測電路、內(nèi)部晶振、JTAG調(diào)試接口、串口模塊、遙控模塊、舵機(jī)接口、LED指示燈等構(gòu)成，構(gòu)成框圖如圖1所示。
LPC2114基于一個(gè)撐持及時(shí)仿真跟跟蹤的32位ARM7TDMI-SCPU，并帶有128k字節(jié)的高速Flash存儲器，十分小的LQFP64封裝、極低的功耗、2個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、PWM輸出、46個(gè)GPIO和多達(dá)9個(gè)內(nèi)部中止使它們特殊合用于工業(yè)節(jié)制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制跟電子收款機(jī)等［2］。
較下的功用集成度跟壯大的端口驅(qū)動才能使得機(jī)器人控制器主板電路的焦點(diǎn)部門十分簡明，基本上實(shí)現(xiàn)了單芯片的計(jì)劃，如圖2所示為LPC2114控制器電路跟4個(gè)舵機(jī)的驅(qū)動接口電路，其余13個(gè)舵機(jī)驅(qū)類同。
思量到教導(dǎo)機(jī)器人的運(yùn)動均衡節(jié)制，將PCB電路板按圖3所示地位結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)除處理器最小體系，和需要的唆使跟控制電路中，最緊張的就是17個(gè)舵機(jī)驅(qū)動接口，這里利用彎角3排針毗鄰，保障鏈接的松散跟靠得住。17個(gè)舵機(jī)接口分為5組，與下載接口依照擺布各9個(gè)結(jié)構(gòu)，此中人形機(jī)器人的頭包括1個(gè)舵機(jī)接口，擔(dān)任擺布運(yùn)動，左胳膊包括3個(gè)舵機(jī)接口，分控肩、肘、腕3個(gè)運(yùn)動自由度，左腿包括4個(gè)舵機(jī)接口，分控胯的擺布/高低、膝蓋及腳腕4個(gè)自由度。左胳膊與右腿的分控接口跟功用與機(jī)器人控制器左半部門對稱［3］。
最初將控制器與7.2V電芯并列拆卸到鋁合金外殼中，作為機(jī)器人的軀體，同時(shí)作為運(yùn)動均衡的重心，優(yōu)越的結(jié)構(gòu)對機(jī)器人的運(yùn)動至關(guān)重要［4］。
思量到人形機(jī)器人的自重跟舉措力度，計(jì)劃采取FUTABA系列產(chǎn)品中的S3050年夜力矩車用、船用比賽型金屬齒輪數(shù)字舵機(jī)，如圖3所示。該舵機(jī)自重48.8克，尺寸小，正在6V電壓下事情，可能到達(dá)0.16秒/60度的轉(zhuǎn)速，力矩巨細(xì)為6.5公斤/厘米。
17個(gè)舵機(jī)依照前述的分組跟人體樞紐布局對稱擺列結(jié)構(gòu)，頭部1個(gè)舵機(jī)，擺布胳膊各3個(gè)舵機(jī)，離別做為肩、肘、腕關(guān)節(jié)，擺布腿各5個(gè)舵機(jī)，離別為髖關(guān)節(jié)的擺布運(yùn)動1個(gè)、前后運(yùn)動1個(gè)、膝關(guān)節(jié)1個(gè)、踝關(guān)節(jié)前后運(yùn)動1個(gè)、擺布運(yùn)動1個(gè)，此中2個(gè)肩關(guān)節(jié)舵機(jī)跟2個(gè)髖關(guān)節(jié)的擺布運(yùn)動的舵機(jī)，上下左右對稱松散裝置，作為身體的一部分，一切其他舵機(jī)利用鋁合金支持流動成松散的人形布局［5］。
3軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)次要包括軟件架構(gòu)計(jì)劃、程序流程計(jì)劃跟驅(qū)動節(jié)制函數(shù)的計(jì)劃。
3.1軟件架構(gòu)
該人形機(jī)器人控制系統(tǒng)原理是：當(dāng)機(jī)器人控制器接收到遙控器收回的指令后，ARM處理器依據(jù)指令要求，將要履行的舉措?yún)?shù)分解成一系列寬度沒有等的PWM旌旗燈號，并經(jīng)由過程驅(qū)動電路輸出到舵機(jī)接口，內(nèi)部舵機(jī)依據(jù)占空比分歧的PWM旌旗燈號遷移轉(zhuǎn)變響應(yīng)的角度，多個(gè)舵機(jī)分歧的遷移轉(zhuǎn)變角度組成了分歧的機(jī)器人剎時(shí)舉措，多個(gè)舉措聯(lián)貫履行便實(shí)現(xiàn)與外部命令響應(yīng)的相應(yīng)舉措。軟件架構(gòu)如圖4所示。本文次要對要害驅(qū)動函數(shù)停止解釋。
3.2舵機(jī)驅(qū)動程序計(jì)劃
驅(qū)動脈沖與舵機(jī)遷移轉(zhuǎn)變角度如表1所示，分歧的高電平工夫?qū)?yīng)著舵機(jī)分歧的輸出地位。是以可以利用LPC2114外部定時(shí)器模擬出17路以20ms為周期、高電平寬度與地位時(shí)序?qū)?yīng)的PWM波形，去離別驅(qū)動節(jié)制17個(gè)舵機(jī)遷移轉(zhuǎn)變的角度，共同實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的相關(guān)舉措［6］。
多個(gè)舵機(jī)的驅(qū)動須要根據(jù)機(jī)器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)較出遷移轉(zhuǎn)變工夫，將其工夫數(shù)據(jù)按必然算法停止排序，并正在CPU的節(jié)制下設(shè)置各舵機(jī)的運(yùn)動跟終止工夫。
3.3機(jī)器人舵機(jī)整體驅(qū)動函數(shù)ManMoveFrame計(jì)劃
函數(shù)功用：將輸入的各伺服器角度轉(zhuǎn)換為各伺服器的高電平工夫，依照17個(gè)伺服器高電平工夫從短到少依次挪用對應(yīng)伺服器驅(qū)動。共18個(gè)出口參數(shù)，17個(gè)是伺服器角度，1個(gè)是動畫停留時(shí)間，轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)：1度約為0.00814ms。
函數(shù)界說：voidManMoveFrame（int16Head_Angle，int16Larm1_Angle，…，，int16Rleg5_Angle，uint8t）
{uint8i，t1;intHeadTime，Larm1Time，Larm2Time，…，Rleg4Time，Rleg5Time;/*與角度對應(yīng)的工夫變量*/
intMotorTime［17］;/*各舵機(jī)驅(qū)動脈沖工夫數(shù)組*/
MotorTime［0］=HeadTime=Head_0+Head_Angle*Angle1;/*頭部驅(qū)動脈沖工夫*/
/*MotorTime［1］至MotorTime［16］略;*/
qsort（MotorTime，17，sizeof;/*對MotorTime數(shù)組快排序，使其值從小到大重排*/…
自動分揀機(jī)器人應(yīng)用for（i=0;i機(jī)器人姿態(tài)數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動函數(shù)ManMoveKeyframeData計(jì)劃
快遞分揀機(jī)器人結(jié)構(gòu)機(jī)器人舉措的要害姿態(tài)是由各舵機(jī)遷移轉(zhuǎn)變地位決意的，須要參照機(jī)器人的身形對17個(gè)舵機(jī)的自由度關(guān)系數(shù)據(jù)停止設(shè)置，驅(qū)動函數(shù)將如表2所示設(shè)置的參數(shù)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動旌旗燈號，節(jié)制17個(gè)舵機(jī)的遷移轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走的舉措。表格空缺的處所默許數(shù)據(jù)為0。
并聯(lián)臂分揀機(jī)器人函數(shù)功用：初始化各伺服器角度/工夫數(shù)組，將機(jī)器人每姿態(tài)舉措的各舵機(jī)角度數(shù)據(jù)輸入給各伺服器數(shù)組。共19個(gè)出口參數(shù)：1個(gè)關(guān)鍵幀號、17個(gè)伺服器角度、1個(gè)動畫停留時(shí)間。
函數(shù)界說：voidManMoveKeyframeData（uint16ID，int16H_Angle，…，int16RL5_Angle，uint8t）{
ID_Max++;/*舉措幀數(shù)，全局變量，紀(jì)錄舉措幀數(shù)，每參加1幀，ID_Max的值便刪1*/
H［ID］=H_Angle;/*頭的角度*/…RL5［ID］=RL5_Angle;/*左肩的角度*/
T_Key［ID］=t;/*幀舉措實(shí)現(xiàn)的工夫長度*/}
3.5機(jī)器人舉措節(jié)制驅(qū)動函數(shù)ManMoveKeyframeToFrame計(jì)劃
次要功用：把舉措幅度較大的姿態(tài)關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)聯(lián)合其上面緊挨的姿態(tài)關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工夫平均的平凡幀驅(qū)動參數(shù)，供整體驅(qū)動利用。出口參數(shù)：無。出口參數(shù)：無。
函數(shù)界說：voidManMoveKeyframeToFrame
{uint16id，h，la1，la2，la3，ra1，ra2，ra3，ll1，ll2，ll3，ll4，ll5，rl1，rl2，rl3，rl4，rl5;uint8t，k;/*幀號、舵機(jī)工夫且則變量*/
自動分揀機(jī)器人工作視頻for（id=0;id機(jī)器人程序流程
機(jī)器人依據(jù)吸收到的遙控下令自行斷定并實(shí)現(xiàn)舉措，事情流程如圖5所示。由于人形機(jī)器人利用電池，事情比力耗電，以是正在運(yùn)動前要先檢測工作電壓，若是到達(dá)事情要求便接著事情，不然沒有履行舉措并報(bào)警，工作電壓沒有滿足要求會形成機(jī)器人果能源缺乏而跌倒，吸收到完畢下令便終止運(yùn)轉(zhuǎn)，不再相應(yīng)內(nèi)部所發(fā)來的遙控下令，若是實(shí)現(xiàn)一個(gè)舉措便規(guī)復(fù)到立正站立形態(tài)［7］。
須要指出的是，正在機(jī)器人運(yùn)動時(shí)，順序?qū)ζ鋬?nèi)部的伺服器節(jié)制要停止分時(shí)分批節(jié)制，以加重處理器功耗壓力，到達(dá)靠得住驅(qū)動的目標(biāo)。
4論斷
依照機(jī)器人的運(yùn)動身形實(shí)現(xiàn)運(yùn)動數(shù)據(jù)的計(jì)劃，顛末測試，該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)包羅前滾翻、后滾翻、俯臥撐在內(nèi)的多種體操運(yùn)動。課題組籌劃進(jìn)一步封裝函數(shù)，并計(jì)劃可視化圖形編程界面，以便可以正在電腦上加倍直觀天天生運(yùn)動數(shù)據(jù)，積木化編程，降低操縱難度。
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